처음으로 과학자들은 사운드 펄스가 다음보다 더 빠른 속도로 이동할 수 있음을 실험적으로 입증했습니다. 빛의 속도, c. 미들 테네시 주립 대학의 William Robertson 팀은 또한 음파의 그룹 속도가 무한하고 심지어 음수가 될 수 있음을 보여주었습니다.

과거의 실험에서 입증되었습니다. 광학, 마이크로파 및 전기 펄스와 같은 다른 재료 구성 요소의 그룹 속도는 빛의 속도를 초과 할 수 있습니다. 그러나 이러한 펄스의 개별 스펙트럼 구성 요소는 속도가 c에 매우 가깝지만 음파 구성 요소는 빛보다 거의 6 배 더 느립니다 (340m / s와 300,000,000m / s 비교).

Robertson은 PhysOrg.com에 “모든 유형의 파동 (광학, 전기 및 음향)에 대한 빠른 (그리고 느린) 파동 속도에 대한 모든 관심은 처음에는 파동 전파의 특성에 대한 근본적인 이해를 얻는 것이 었습니다. 이러한 재료의 구성 요소 간의 위상 관계를 변경할 수 있습니다. 소리를 사용하여 빛의 속도를 초과하는 그룹 속도를 만드는 것은 여기에서 중요합니다. 소리와 빛의 속도 사이에 큰 차이가 있기 때문에이 지점을 극적으로 보여주기 때문입니다.”

실험은 두 사람에 의해 수행되었습니다. NSF STEP (과학, 기술, 공학, 수학 재능 향상 프로그램) 보조금을받은 학부생, 지역 고등학교 교사 및 고등학생 2 명. 이 교부금은 학생들의 모집 및 유지율을 높이는 것을 목표로합니다.

실험에서 연구원들은 사운드 펄스의 스펙트럼 구성 요소를 재 위상하여 초강력 사운드 속도를 달성했으며, 나중에 다시 결합하여 동일한 모양을 형성합니다. 맥박 내에서 훨씬 더 멀리있는 맥박의 일부. 따라서 c를 초과하는 실제 음파가 아니라 파동의 “그룹 속도”또는 “샘플 길이를 펄스의 피크가 샘플을 통과하는 데 걸리는 시간으로 나눈 값”입니다.

“그룹 속도 (맥박의 피크가 움직이는 속도)가 다음과 같다는 것을 인식하기 때문에이 분야에서 밀접하게 작업하는 사람들에게는 빛보다 빠른 소리 결과가 놀랄 일이 아닙니다. 그 펄스를 생성하기 위해 중첩되는 모든 주파수의 속도에만 연결되는 것이 아니라 재료 나 필터가 이러한 구성 요소 간의 위상 관계를 변경하는 방식과 관련이 있습니다. 적절한 위상 조작 (재분석)을 통해 그룹 속도를 높이거나 낮출 수 있습니다.”

스펙트럼 구성 요소의 위상을 재조정하기 위해 음파가 약 8m 길이의 PVC 파이프 도파관에있는 비대칭 루프 필터. 0.65 미터 루프는 음파를 두 개의 다른 경로 길이로 분할하여 파괴적인 간섭과 정상파 공명을 발생시켜 함께 일반 주파수에서 전송 딥을 생성합니다.

비정상적인 분산 (파동 속도 변경)으로 인해 루프 필터를 통해 이동하는 사운드 펄스가 PVC를 통해 곧바로 이동하는 펄스보다 빨리 출구에 도달했습니다. 이 실험을 통해 개별 스펙트럼 성분이 여전히 음속으로 이동하더라도 그룹 속도는 실제로 무한히 적은 시간에 도달 할 수 있습니다.

“우리는 또한 입력 펄스의 피크가 필터의 시작에 도달하기 전에 출력 펄스의 피크가 필터를 빠져 나가는 상황 인 ‘음의 그룹 속도’를 달성했습니다. “속도를 시간으로 나눈 거리와 같은 정의를 사용하여 음의 시간을 측정하여 음의 속도를 실현했습니다.”

음의 속도가 속도를 초과하는 것처럼 보이지 않을 수도 있습니다. 하지만이 경우에는 맥박의 속도가 실제로 c보다 훨씬 빠르다고 Robertson은 말했습니다.

“약간 덜 극적인 경우에 펄스 속도를 고려하십시오.”라고 Robertson은 말했습니다. “출력 펄스의 피크가 입력 펄스가 처음에 도달하는 것과 정확히 동시에 필터를 빠져 나간다고 말합니다. 이 덜 극적인 경우에는 이동 시간이 0이고 속도 (거리를 0으로 나눈 값)는 무한합니다. 그래서 우리는 무한을 넘어 섰습니다! ( ‘무한을 넘어서’토이 스토리에서 대사를 훔치는 것.) 실험에서 우리는 -52m / s의 음의 그룹 속도에 해당하는 음의 이동 시간을 측정했습니다.”

이러한 결과는 처음에는 특수 상대성 이론을 위반하는 것처럼 보일 수 있지만 (물체가 없다는 아인슈타인의 법칙) 빛의 속도를 초과 할 수 있음), 이러한 실험의 실제 중요성은 약간 다릅니다. 이러한 유형의 초강력 현상, Robertson et al. 설명하고, 인과 관계 나 특수 상대성 이론을 위반하지 않으며, 정보가 c보다 빠르게 이동할 수 있도록합니다. 사실, 이론적 연구는 음파 그룹 속도의 초강력 속도가 존재해야한다고 예측했습니다.

“이처럼 보이는 역설을 이해하는 열쇠는 어떤 파동 에너지도 빛의 속도를 초과하지 않는다는 것입니다.”라고 Robertson은 말했습니다. “펄스를 필터를 통해 통과 시켰기 때문에 가속 펄스는 입력 펄스보다 훨씬 작았습니다 (10 배 이상). 본질적으로 필터를 통과하는 펄스는 입력 펄스의 정확한 (그러나 더 작은) 복제입니다. 이 복제본은 입력 펄스의 앞쪽 가장자리에서 조각되었습니다. 항상 필터 영역을 가로 지르는 파동의 순 에너지는 입력 펄스가 필터를 통과하지 않고 직선 파이프를 따라 이동하는 경우 도달했을 에너지와 같거나 더 적습니다.”

이 현상은 단순히 현명한 설정의 결과일까요? 아니면 실제 세계에서 발생할 수 있나요? 과학자들에 따르면 루프 필터에서 발생하는 간섭은 건축 음향의 “빗 필터링”효과와 직접적으로 유사합니다. 여기서 음원에서 직접 나오는 소리와 딱딱한 표면에서 반사되는 소리간에 소리 간섭이 발생합니다.

“우리가 설명한 초강력 음향 효과는 일상에서 볼 수 있지만 눈에 띄지 않는 현상 일 가능성이 높습니다.”라고 과학자들은 결론을 내립니다.